Релейная защита синхронных генераторов

Министерство образования Российской Федерации

Восточно-Сибирский Государственный Технологический

Университет

И.В. Худугуев, В.В. Данеев

Релейная защита синхронных генераторов

Методические указания к курсовому и дипломному проектированию

по специальности 100200 – Электроэнергетические системы и сети.

Улан-Удэ, 2002

Релейная защита синхронных генераторов

Основной защитой генераторов мощностью более 1 МВт от многофазных КЗ в обмотке статора является продольная дифференциальная защита.

Кроме того, при внутренних повреждениях генератора срабатывают следующие виды защит: защита от витковых КЗ в обмотке статора; защита от однофазных замыканий на землю в обмотке статора; защита нулевой последовательности от двойных замыканий на землю; защита от замыканий на корпус в обмотке возбуждения.

1. Продольная дифференциальная защита

Для генераторов мощностью 30…100 МВт используется схема дифференциальной защиты в трехфазном трехрелейном исполнении с реле РНТ-565. Более мощные генераторы оснащаются схемой защиты с устройством ДЗТ, в котором подмагничивание насыщающегося трансформатора тока осуществляется не только апериодическими составляющими тока небаланса, но и полными токами внешних КЗ (магнитное торможение).

Расчет уставок продольной дифференциальной защиты с реле РНТ-565.

Пример. Турбогенератор ТВФ-60-20 имеет следующие характеристики:

номинальная полная мощность……………S Г. НОМ = 75 МВ*А; номинальное напряжение…………………U Г. НОМ = 6,3 кВ;

номинальный ток……………………………..I Г. НОМ = 6880 А;

номинальное значение угла…………………. cosφ Г. НОМ = 0,8; сверхпереходное сопротивление…………………………………x d II = 0,146;

сопротивление обратной последовательности……x 2 = 0,178; коэффициент трансформации

трансформатора тока ……………………………n TA = 8000/5.

Для того, чтобы защита не срабатывала при обрыве токовых цепей, но имела уставку меньше номинального тока генератора, применяем специальную схему включения реле РНТ [1]: в нулевой провод дифференциальной цепи последовательно включаем уравнительные обмотки всех трех реле РНТ (Рис.1). Причем дифференциальные и уравнительные обмотки в каждом реле включаются встречно.

Q					С
					КА1
У1	Р1	У2	Р2	У3	Р3

G

Рис. 1

Число витков уравнительной обмотки У выбирается по условию отстройки от номинального тока генератора I Г. НОМ

Fср nта
Wур 1 ,1 Iгном	,	( 1 )

где Fср – намагничивающая сила срабатывания реле,

Fср. = 100 А

Число витков дифференциальной обмотки Р

подсчитывается при условии

Wдиф

2 Fср nта

1 ,1 Iгном

( 2 )

Тогда ток срабатывания защиты

Iсз

1 ,1 Iгном

0

,55

Iгном

2

Принимается Iсз = ( 0,5…0,6 ) * Iг.ном

( 3 )

При обрыве соединительного провода одного из трансформаторов тока распределение токов в схеме будет таково, что в двух реле поврежденных дифференциальных цепей ток будет протекать только по уравнительным обмоткам ( реле не сработает ), в третьем – по дифференциальной и уравнительной. С учетом полярности обмоток результирующий магнитный поток в последнем реле пропорционален значению I( Wдиф – Wур ). Это реле так же не

сработает, так как в соответствии с ( 1 ) и ( 2 ) 2 Wур = Wдиф . В схеме предусматривается контроль в случае

неисправности токовых цепей ( Рис. 1, реле КА1, Iср = 0,2 * I

г.ном / nта ).

Для рассматриваемого турбогенератора определяем уставку защиты в соответствии с условием ( 3 ) и необходимостью отстройки от максимального тока небаланса

Iнб.макс.:

Iсз котс Iнбмакс , ( 4 ) где котс = 1,3 – коэффициент отстройки.

а). Iсз = 0,6 * Iг.ном = 0,6 * 6880 = 4128 А
б). Iсз = 1,3 * Iнб.макс	Iнб.макс = ка * кодн * ε * Iк.макс(3) ,

где ка – коэффициент, учитывающий переходный режим, для реле РНТ

ка = 1;

кодн – коэффициент однотипности трансформаторов тока,

кодн = 0,5 – для однотипных ТА; ε – погрешность ТА, принимается 0,1;

Iк.макс(3) – ток трехфазного КЗ на выводах генератора.

Ток Iк.макс(3) определяем по известному выражению ( в относительных единицах):

I٭к.макс(3) = Е٭″/ xd″ = ( U٭г.ном + I٭г.ном * xd″ * sinφг.ном ) / xd″ ,

где Е٭″ - сверхпереходная э.д.с. ( о.е.). I٭к.макс(3) = ( 1+ 1* 0,146 * 0,6 ) / 0,146 = 7,45

В именованных единицах:

Iк.макс(3) = I٭к.макс(3) * Iг.ном

Iк.макс(3) = 7,45 * 6880 = 51256 А

Iнб.макс = 1 * 0,5 * 0,1 * 51256 = 2560 А

Iсз = 1,3 * 2560 = 3330 А

Принимаем Iсз = 4128 А.

Расчетное число витков дифференциальной ( рабочей ) обмотки реле РНТ

	Wдиф,расч	Fср nта
		Iсз	( 5 )

Wдиф,расч					100					1600					38		,76
					4128
Принимаем		Wдиф = 38
Тогда
	Iсз			Fср nта								100 1600						4210 А
					Wдиф							38

Чувствительность защиты оценивается по соотношению

кч = Iк.мин(2) / Iсз ≥ 2 ,

( 6 )

где Iк.мин(2) – ток двухфазного КЗ на выводах одиночно работающего генератора на холостом ходу при

синхронизации.

Учитывая, что Е٭г = U٭г = 1 , определяем

I	(2)	= √3 * Е	٭г	* I		г.ном	/ (x			″+x ) = √3 * 1 * 6880 /
	к.мин								d	2
		(0,146+0,178) = 36740А
		к		36740							8.9 > 2
		ч		4128

Недостатком дифференциальной защиты с реле РНТ является относительно большой ток срабатывания Iсз = ( 0,5…0,6 ) * Iг.ном .

Продольная дифференциальная защита с устройством
ДЗТ -11 / 5 ( более чувствительный вариант)
В устройстве имеются дифференциальная (рабочая)
обмотка со 144 витками и тормозная обмотка с 36 витками.
A B C
WT КАW1WP	WT КАW2WP	WTКАW3WP
G
Рис. 2
При выборе уставки защиты считаем, что магнитное
торможение полностью компенсирует влияние тока
небаланса, используем все 144 витка рабочей обмотки.
Тогда ток срабатывания реле:

Iср			Fср				100			0	,7 А
							144
			Wдиф

Iсз Iср nта 0 ,7 1600 1120 А

Iсз			1120			0	,163	Iгном
			6880

Тормозная обмотка включается во вторичную цепь трансформатора тока со стороны линейных выводов генератора.

Число витков тормозной обмотки выбирается по

выражению:
WT = 1,5 * Iнб.макс * Wдиф / Iк.макс(3) * tgα ,	( 7)

где Iнб.макс – максимальный ток небаланса;

Iк.макс(3) – ток трехфазного КЗ на выводах генератора; tg α = 0,75 – тангенс угла наклона касательной,

проведенной из начала координат к тормозной характеристике устройства ДЗТ – 11 / 5 .

W			1 ,5 2560		144			14 ,4
т			51256		0 ,75

Принимается ближайшее большее число:

Wт 15

Чувствительность защиты при междуфазных повреждениях генератора всегда выше нормируемой и может не проверяться.

2. Защита от витковых замыканий в обмотке статора

Наиболее просто защита выполняется для генераторов с параллельными ветвями в обмотке статора. В этом случае применяется поперечная дифференциальная защита, основанная на сравнении суммы токов трех фаз одной ветви с той же суммой другой ветви (Рис. 3):

IA1+IB1+IC1 = 3IO1 ; IA2+IB2+IC2 = 3IO2

A B C

G

TA6 KAZ

KA4

C

KA4.1 KH5

На отключение

Рис. 3 В рассечку соединения двух нейтралей включается

трансформатор тока ТА, к которому подключается реле РТ – 40Ф, отстроенное с помощью фильтра (L, C) от токов третьих и высших гармоник. Выходной орган реле КА4 реагирует на разность токов нулевой последовательности обеих ветвей:

Ip = 3IO1 - 3IO2 .

Ток срабатывания реле принимается на основании опыта эксплуатации:

Iср = (0,2…0,3)* Iг.ном / nта .

С учетом отсутствия тока в нейтрали в нормальных условиях коэффициент трансформации ТА выбирается по условию:

			nта			0 ,25 Iг,ном
								5
Для генератора ТВФ-60-20
nта			0 ,25 6880					1720
			5					5				,

принимаем трансформатор тока типа ТЛ-10 с коэффициентом трансформации

2000 nта 5

Ток срабатывания реле Iср = 0,25*6880 / 400 = 4,3 А .

3. Защита от однофазных замыканий на землю в обмотке статора

Для включения этой защиты на выводах генератора, работающего на сборные шины, устанавливаются трансформаторы тока нулевой последовательности шинного типа (ТНПШ). На вторичную обмотку ТНПШ включается реле РТЗ-50 (КА2), обладающее повышенной чувствительностью. Напряжение для подмагничивания ТНПШ, равное 100 ÷ 110 В, подается от TV, установленного со стороны выводов генератора (Рис. 4). Кроме того, к выходу ТНПШ подключается токовое реле КАЗ, которое предназначено для действия при двойных замыканиях на землю (одно замыкание на землю во внешней сети генераторного напряжения, а второе - в обмотке статора).

В качестве реле КАЗ используется реле РТ-40/2 с первичным током срабатывания Iсз = 100 А, принятым с большим запасом для отстройки от максимально возможного тока, протекающего через защиту при внешнем КЗ.

A B C

TV

B			KA2.1	KT1
C
			KT1.1	KH3
		KA2 KA3		К выходному
	R		KA3.1	реле
ТНПШ				KH4

G

Рис. 4. а) токовые цепи; б) цепи оперативного тока

Первичный ток срабатывания защиты определяется по приближенному выражению:

Iсз = 1 / кв* (котс' * Ic + котс" * Iнб.п) ,

( 8 )

где кв – коэффициент возврата реле, кв = 0,94 (РТЗ-50); котс' = 2 – коэффициент отстройки, учитывающий бросок

емкостного тока в переходном режиме при работе защиты с t = 1…2 с;

котс" = 1,5 – коэффициент отстройки, учитывающий неточность расчета тока небаланса;

Ic – установившийся емкостный ток замыкания на землю защищаемого генератора;

Iнб.п – первичный установившийся ток небаланса.

ТехническиеданныезащитысТНПШ

			Таблица1
Типтрансформаторатока		ТНПШ-3	ТНПШ-3У
НоминальноенапряжениеUном, кВ		6,3	6,3
		10,5	10,5
		15,75
НоминальныйтокIном, кА		4,5	7,2
Цепь	НоминальноенапряжениеUном, В	110	110
подмагничивания	Потребляемаямощность, В*А	30	35
Сопротивлениенамагничивания, приведенное		0,0066	0,0066
кпервичнойцепиZэ.нам.п., Ом
Сопротивлениенамагничивания, приведенное		10	10
ковторичнойцепи	Zэ.нам.в. =Zэ.нам.п.* Wв, Ом
Э.Д.С. небаланса	отподмагничиванияЕнб.подм, мВ	100	100
вовторичнойцепи,	отнесимметричногорасположения
мВ	токопроводов(приноминальномтоке)	100	150
	Енб.нес, мВ
ДанныеТНПШ	Числовитковвторичнойобмотки,Wв	39	39
Типреле		РТЗ-50	РТЗ-50
СопртивлениерелеZр, Ом		45	45
Парамметрызащиты	Принятыйдиапозонуставок	0,015…	0,015…
отзамыканий	срабатываниярелеIср, А	0,3	0,3
наземлю

I	c		3 ω C Uг,ном		10−6	А
			г	3
						,	( 9 )

где Сг [мкФ / фаз] – емкость фазы обмотки статора генератора относительно земли;

Uг.ном [В] – номинальное напряжение генератора; Значение Сг может быть определено по приближенным

выражениям:

для турбогенераторов

Cг

к Sг,ном

мкФ

1 ,2 Uг,ном (1 + 0 ,08 Uг,ном)

фаз

, (10 )

где Sг.ном[МВ*А] – мощность генератора;

к = 0,0187 при температуре (15…20)°С; Uг.ном [кВ];

для гидрогенераторов

4

Cг

к (Sг,ном)3

мкФ

фаз

1

3 (Uг,ном + 3600) n3

,

( 11 )

где n[об/мин] – частота вращения;

Для турбогенератора ТВФ-60-20

C

0 ,0187 75

0 ,38

мкФ

фаз

,2 6 ,3 (1 + 0 ,08 6 ,3)

г 1

Ic

3 314 0 ,38 6300

10−6

1 ,3А

3

Для определения первичного тока небаланса Iнб.п необходимо вычислить значение вторичного тока небаланса Iнб.в. Соотношение между токами Iнб.п и Iнб.в равно соотношению между токами срабатывания реле и защиты (Iср и Iсз) и определяется выражением

Iнб.в / Iнб.п = Iср / Iсз = 1 / Wв* (1+Zp / Zэ.нам.в),

( 12 )

где Wв – число витков вторичной обмотки ТНПШ; Zp – сопротивление реле типа РТЗ-50, Ом;

Zэ.нам.в – эквивалентное сопротивление намагничивания, приведенное ко вторичной обмотке ТНПШ, Ом.

Тогда Iнб.п = Iнб.в Wв * (1+Zp / Zэ.нам.в),								( 13 )
			Iср = Iсз / Wв* (1+Zp / Zэ.нам.в)					( 14 )
Вторичный ток небаланса Iнб.в вычисляется по
выражению
I			к1 к2 Енб,нес +		Енб,подм
нб,в			Zэ,нам,в + Zp		Zp		,	( 15 )

где к1 = 2,5 – коэффициент, учитывающий увеличение Енб,нес за счет размещения ТНПШ в закрытых шиноблоках;

к2 = 1,05 – коэффициент, учитывающий селективное действие защиты при внешнем однофазном КЗ на землю, сопровождающимся замыканием между двумя другими фазами;

Енб,нес – э.д.с. небаланса, наводимая во вторичной обмотке ТНПШ в номинальном режиме и обусловленная несимметричным расположением токопроводов относительно вторичной обмотки ТНПШ;

Енб,подм – э.д.с. небаланса, наводимая во вторичной обмотке ТНПШ и обусловленная неидентичностью

магнитопроводов.

Для турбогенератора ТВФ-60-20 выбираем (таблица 1) трансформатор тока нулевой последовательности типа ТНПШ-ЗУ со следующими данными:

Uном = 6,3 кВ; Iном = 7200 А; Енб,нес = 150 мВ; Енб,подм = 100 мВ; Zэ.нам.в = 10 Ом; Zp = 45 Ом; Wв = 39.

Значение Енб,нес пересчитывается с учетом различия номинальных токов генератора (6880 А) и ТНПШ (7200 А).

По выражению ( 15 ) определяем значение тока Iнб.в

2 ,5 1 ,05 0 ,15

6880

I

7200

+

0 ,1

0 ,009А

нб,в

10 + 45

45

Согласно

( 13 ) Iнб.п = 0,009 * 39 * (1+45 / 10) = 1,93 А.

По ( 8 )

Iсз = (1 / 0,94) * (2 * 1,3 + 1,5 * 1,93) = 5,85 А.

Ток срабатывания реле согласно ( 14 )

Iср = 5,85 / 39*(1+45 / 10) = 0,027 А.

Защита выполняется с использованием трансформатора тока нулевой последовательности ТНПШ-ЗУ и реле РТЗ-50 с Iсз = 5,85 А; Iср = 0,027 А.

На реле РТЗ-50 используется второй диапазон уставок с током срабатывания (0,015…0,03) А.

4. Защита от замыканий на землю в обмотке возбуждения

На генераторах относительно небольшой мощности используется контроль за состоянием цепей возбуждения с помощью вольтметра, один зажим которого связан с землей, а второй поочередно подключается к полюсам ротора.

На гидрогенераторах, турбогенераторах с водяным охлаждением обмотки ротора, а также на всех турбогенераторах мощностью 300 МВт и выше предусматривается защита от замыканий на землю в одной точке цепи возбуждения. Один из вариантов защиты [2]

приведен	на		рис		5
	SAC		KA.1		KT
	B	O
	KL.3
C	F1			KT.1	KL
			KL.1	B O
TL	F2		KL.2		Сигнал
KA
				SAC
	а)			б)

Рис.5. а) цепи переменного напряжения; б) цепи оперативного тока.

Всхеме защиты к цепи возбуждения через конденсатор

Сподключается вторичная обмотка промежуточного трансформатора TL, в цепь которой включено токовое реле KA. Второй конец обмотки токового реле заземляется через специальную щетку, имеющую контакт с валом ротора. Трансформатор TL питается от шин собственных нужд. В нормальном режиме ток в реле KA не проходит. В случае

замыкания на землю в цепи возбуждения генератора создается контур для прохождения переменного тока через реле KA, которое сработав обеспечивает с выдержкой времени действие промежуточного реле KL. Реле KL, самоподхватившись, замыкает цепь сигнализации о замыкании и разрывает цепь прохождения переменного тока через место замыкания на землю.

На турбогенераторах с тиристорной и высокочастотной системами возбуждения применяется серийная защита типа КЗР-3, выполняемая с наложением на цепь возбуждения переменного тока с частотой 25 Гц [2].

Защита от замыканий на землю в двух точках цепи возбуждения устанавливается только на турбогенераторах. Схема защиты типа КЗР-2 (Рис. 6) состоит из потенциометра RR, присоединяемого к кольцам ротора после возникновения в обмотке возбуждения первого замыкания на землю, и двух поляризованных реле KL1, KL2, которые включаются в диагональ моста, образуемого обмоткой возбуждения и потенциометром [2].

	KL1	KL2
				KL1.1		KT
				KL2.1
	RR	C	KL3.2	KT.1		KL3
GE
	LG		SAC	KL3.1	SB
		L	R1
				KL3.3	KH
						Отключение
		SX	PV		EL
				KH.1		R2
	S
а)				б)
Рис. 6. а) цепи возбуждения;			б) цепи оперативного тока;
GE – возбудитель;			LG – обмотка ротора

С подключением потенциометра RR к кольцам ротора генератора производится настройка защиты при отключенной накладке SX с использованием вольтметра PV: движок потенциометра устанавливается в положение, при котором показания вольтметра будут близкими к нулю, что означает равенство потенциалов в диагонали моста.

При появлении второго замыкания в обмотке ротора это равенство нарушается, появляется ток в диагонали моста и в зависимости от направления тока срабатывает одно из поляризованных реле. Защита работает с выдержкой времени и подачей импульса на сигнал или на отключение генератора.

Из-за неравномерности воздушного зазора генератора в обмотке ротора циркулирует переменный ток, который может проходить по обмоткам реле KL1 и KL2. Возникающая при этом вибрация контактов ухудшает надежность работы реле и может привести к отказу защиты. Для снижения влияния переменного тока на работу реле в схему защиты введены дроссель L и конденсатор C.

Защита генераторов от внешних КЗ и перегрузок 5. Защита от внешних КЗ

Для защиты генераторов мощностью до 30 МВт включительно от внешних симметричных и несимметричных КЗ используется МТЗ с комбинированным пуском по напряжению.